在重金属共存的情况下，微（纳米）塑料对人工强化湿地（AMF-enhanced constructed wetlands）中营养物质去除和温室气体产生的影响

《Environmental Pollution》：Effects of micro(nano)plastics on nutrient removal and greenhouse gas production under heavy metals cooccurence in AMF-enhanced constructed wetlands

人工湿地中丛枝菌根真菌缓解微塑料与重金属共污对营养去除及温室气体排放的影响

　　

徐周英|杨泽辉|谭琪|赵英奇|班一辉|张克峰

武汉工业大学土木工程学院，中国武汉430070

摘要

共存的微（纳）塑料（MNPs）和重金属（HMs）可能与微生物产生协同或拮抗作用，从而影响废水处理效果。接种了功能性微生物（如丛枝菌根真菌（AMF）的 constructed wetlands（CWs）为提高污染物去除率提供了一种有前景的方法。在本研究中，我们建立了接种和不接种 AMF 的 CWs，以探讨不同浓度（1 和 10 mg/L）的聚苯乙烯微塑料（PS-MNPs）对含有铜/铅的废水中的营养物质去除和温室气体（GHG）产生的影响。结果表明，在未接种 AMF 的 CWs 中，与单独存在重金属相比，添加 PS-MNPs 使氨氮和磷酸盐的平均出水浓度分别增加了 11.84-134.73% 和 2.04-109.79%；而它们对硝酸盐和 COD 去除的影响则取决于浓度和重金属的水平。接种 AMF 后，氨氮和磷酸盐的平均出水浓度分别降低了 22.01-69.24% 和 21.89-50.47%，同时硝酸盐浓度也显著下降。PS-MNPs 抑制了有机物的转化，导致甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）的生成量分别增加了 2.18-53.78% 和 24.19-162.23%，而 AMF 则减少了这些气体的生成。酶活性检测表明，PS-MNPs 降低了表层微生物的关键活性，但 AMF 缓解了这些影响。微生物群落分析显示，AMF 通过促进反硝化细菌（如 Dechloromonas、Zoogloea、Terrimonas、Thauera）和硝化细菌（Nitrospira）的活动增强了氮循环。这些发现表明，AMF 可以减轻 MNPs 和重金属共存对 CWs 的负面影响，提高营养物质去除率和气候效益。本研究为污染物相互作用提供了见解，并为优化处理复杂废水混合物的 CWs 提出了策略。

引言

微（纳）塑料（MNPs）和重金属（HMs）因其对生态系统的有害影响而广为人知（Kralj 和 Chen, 2025; Wei 等, 2023; Zhang 等, 2020）。随着工业化进程的持续，废水中 MNPs 的浓度一直在稳步上升（Simon 等, 2018）。据报道，污水处理厂（WWTPs）进水中的 MP 浓度范围为 61 至 1,189 μg L^-1（Simon 等, 2018）。最近的研究表明，WWTPs 中 MNPs 的浓度可高达 5.6 mg·L^-1（Kedves 等, 2025; Zhang 等, 2025）。MNPs 和重金属的共存增加了废水处理的复杂性，这一挑战在发展中国家城乡交界地区尤为突出，因为那里的基础设施有限且污水管道不完善（Wang 等, 2023; Zhang 等, 2020）。

单种 MNPs 和重金属已被证明会降低微生物的数量、多样性和酶活性，从而削弱它们利用营养物质的能力，导致污水处理效果不佳（Li 等, 2024b; Ma 等, 2021; Wei 等, 2023; Zhang 等, 2024b）。然而，它们共存对微生物的影响仍存在争议。现有证据表明，MNPs 和重金属的共存可能产生协同、拮抗或增强作用（Cao 等, 2021）。它们相互作用的变化可归因于共存时的浓度和类型差异（Pu 等, 2024; Liu 等, 2023b）。研究表明，重金属和 MP 浓度的变化会改变这些相互作用，从而显著影响土壤微生物群落的组成、多样性和数量。目前关于它们之间关系的研究主要集中在陆地环境中，其在水生环境中对微生物的影响仍有待探讨。鉴于 MNPs 和重金属之间的复杂相互作用及其对微生物生长的负面影响，需要进一步研究以阐明它们对水生环境中营养物质去除的综合影响。

作为经济且环保的技术，constructed wetlands（CWs）能够有效处理含有重金属和微塑料的废水（Wei 等, 2023; Zhang 等, 2024a）。为了提高 CWs 的稳定性和处理效果，向其中添加或接种微生物已成为研究者的热门选择，其中丛枝菌根真菌（AMF）是微生物增强的典型例子（Yadav 等, 2024）。

丛枝菌根真菌被认为是陆地和水生生态系统中最广泛的共生微生物，通过互利作用促进宿主植物的养分吸收，同时提高其对多种环境压力的耐受性（Jiang 等, 2024; Smith 和 Read, 2008）。将 AMF 应用于 CWs 已成为一种日益认可的生物修复策略，有效增强了废水中有害物质的净化效果（Ban 等, 2021）。Ban 等（2021）发现，在 CuO 纳米颗粒胁迫下，接种 AMF 可将化学需氧量（COD）去除率提高 28.94-98.72%，总氮去除率提高 16.63-47.66%，同时提高宿主植物的耐受性；Lv 等（2023）发现，将 AMF 应用于生态浮床可通过其真菌结构在植物根部积累铅，减轻铅对植物细胞的毒性并限制铅的迁移。迄今为止，只有 Kralj 和 Chen（2025）在 CWs 中应用 AMF 处理受 MP 污染的废水；他们报告称 AMF 可提高受 MP 胁迫的 CWs 的营养物质去除效果。因此，我们推测 AMF 可提高 CWs 净化含有 MNPs 和重金属的混合废水的效果。然而，关于 AMF 增强的 CWs 处理结合重金属和 MNPs 污染的研究很少，即使是在普通 CWs 中也是如此。不同浓度和大小的 MNPs 和重金属对 AMF 增强 CWs 的处理效果以及温室气体产生的影响仍不清楚。此外，MNPs 和重金属之间的相互作用如何影响处理结果，以及 AMF 在 MNPs 和重金属共存时如何影响 CWs 的净化效率，这些机制尚待阐明。

因此，为了填补这些知识空白，本研究设计了 AMF 增强的 CWs，以在不同粒径和浓度的聚苯乙烯微塑料（PS-MNPs）及重金属（铜（Cu）和铅（Pb）共存条件下净化营养物质，具体目标如下：1）研究不同浓度和粒径的 PS-MNPs 以及不同浓度的 Cu/Pb 对营养物质去除效率和甲烷（CH₄）及一氧化二氮（N₂O）产生的影响。2）评估在不同条件和持续时间下，不同深度基质中微生物的酶活性。3）探讨在不同条件和持续时间下微生物群落多样性和结构的差异和动态。4）研究并阐明与 AMF 接种相关的去除率和机制。本研究旨在将菌根修复技术与 CWs 结合，以净化含有 MNPs 和重金属的废水，并建立一种可持续的水体污染物去除方法。

部分摘录

PS-MNPs 溶液和合成废水

根据先前的研究，污水处理厂进水中的 MP 浓度范围为 61 至 5600 μg L^-1（Kedves 等, 2025; Simon 等, 2018），以及先前活性污泥和厌氧颗粒污泥研究中的 PS-MNPs 浓度（Fu 等, 2018; Ma 等, 2021; Zhang 等, 2025），我们选择了两种 PS-MNPs 的暴露浓度（1 和 10 mg L^{-1-1 的浓度代表了自然环境中可能存在的 PS-MNPs 浓度}

COD 去除

所有处理方法的 COD 去除效果相对稳定（图 S5）。具体来说，在未接种 AMF 的 CWs（M, MP1, MP10, MNP1, 和 MNP10）中，第一阶段和第二阶段（2 mg/L Cu/Pb）的平均 COD 去除效率分别为 73.89-79.51%，第三阶段（10 mg/L Cu/Pb）为 66.3-80.34%。接种丛枝菌根真菌略微提高了 CWs 的 COD 去除效果，尤其是在 PS-MNPs 处理中更为明显

结论

本研究探讨了 AMF 增强作用以及不同浓度的 PS-MNPs 在 Cu/Pb 共存条件下对 CWs 中营养物质去除效果的影响和机制。PS-MNPs 通过与微生物和重金属的相互作用，在不同的 Cu/Pb 水平下影响 CWs 的净化效果。丛枝菌根真菌的接种通过改变 PS-MNPs 在 CWs 中的分布，增强了相关酶的活性，从而提高了净化效果

CRediT 作者贡献声明

杨泽辉：撰写——初稿、验证、方法论、数据分析。徐周英：撰写——审阅与编辑、概念构思。张克峰：研究。班一辉：监督、资源管理、项目协调、概念构思。赵英奇：研究。谭琪：可视化、研究

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了“国家自然科学基金（31800420）、山东省自然科学基金（ZR2022MD108, ZR2022MC218）、中央高校基本科研业务费（WUT: 104972025KFYjc0124, 104972024KFYjc0078）以及中国 Scholarship Council的本科生创新创业培训计划（S202510497252, 104972025BKS0252）和202306950158计划的支持。